Framþróunin snýr til baka

Dýr geta þróast aftur á bak og tekið upp hætti forfeðra og formæðra. Fram að þessu hafa vísindamenn talið þetta ómögulegt en bæði ný líkön og erfðagreiningar sýna að þetta hefur gerst hjá eðlum, froskum og jafnvel mönnum.

BIRT: 12/05/2022

LESTÍMI:

10 mínútur
Share on facebook

Hátt uppi í Andesfjöllum fetar þunguð eðla sig áfram milli klappanna. Hún nemur skyndilega staðar og gleikkar bilið milli afturfótanna. Skömmu síðar birtist lítið höfuð í fæðingaropinu, hulið þunnum og gagnsæjum líknarbelg, sem móðirin slítur í sundur um leið og unginn er fæddur. Korteri síðar hlaupa þrír nýfæddir ungar kringum móður sína.

 

Þannig hafa eðlur af þessari tegund eignast unga sína allt síðan formæður þeirra tóku stórt þróunarstökk fyrir um 30 milljón árum og tóku að fæða lifandi unga í stað þess að verpa eggjum. Þessu fylgdu svo miklar líffræðilegar breytingar að vísindamenn hafa hingað til álitið útilokað að eðlurnar gætu stigið skrefið til baka og farið að verpa eggjum.

 

Ný rannsókn chilenskra og ástralskra vísindamenna árið 2018 sýndi hins vegar fram á að nokkrar eðlutegundir hafa þegar unnið þetta afrek.

Fjöll stýrðu þróuninni bæði fram og til baka

Fyrst verptu þær eggjum, tóku svo að fæða lifandi unga og eru nú aftur farnar að verpa. Suður-amerískar eðlur vekja undrun vísindamanna.

50 milljón ár: Formæðurnar verptu eggjum

Rétt eins og flestar aðrar eðlur verptu formæður suðuramerísku eðluættarinnar Liolaemus eggjum. Á þessu tíma höfðu Andesfjöllin ekki myndast.

30 milljón ár: Fjöllin breyttu fjölgunaraðferð

Andesfjöllin lyftu eðlunum æ hærra og af því leiddi kólnandi veður. Í kuldanum var það kostur að þróa fóstrið inni í hlýju líkamans og fæða lifandi unga.

20 milljón ár: Á láglendi urðu egg heppilegri

Síðar fluttu sumar eðlur sig niður á láglendi þar sem hlýrra veður gerði eggin heppilegri kost á ný.

Ásamt fleiri rannsóknum sýnir þetta að dýr geta endurheimt einkenni sem eldri kynslóðir glötuðu fyrir mörg hundruð milljónum ára. Þróunin gengur sem sagt bæði fram og til baka í miklu ríkari mæli en menn gátu gert sér í hugarlund. Fyrirbrigðið má meira að sjá á mannslíkamanum.

 

Lögmálið um óafturkræfni

Viðamiklar breytingar í þróunarsögunni, svo sem það að suður-amerískar eðlur skyldu taka að fæða lifandi unga, eru fullkomlega eðlilegar. Slöngur eru orðnar fótalausar, maðurinn glataði rófunni og mörgæsir geta ekki lengur flogið.

Nýjar aðstæður geta gert tiltekin einkenni óþörf og dýrin losa sig þá við þau. En þegar einkennin eru á annað borð horfin eru þau horfin að eilífu – þannig hljóðar allavega svokallað Dollos-lögmál. Þessa kenningu lagði belgíski steingervingafræðingurinn Louis Dollos fram 1890 og samkvæmt henni eru breytingar óafturkræfar og útilokað að þróunin geti farið afturábak.

 

Allt síðan hefur kenningin verið viðtekin í þróunarfræðum og af góðri og gildri ástæðu. Endurmyndun glataðra einkenna krefst nefnilega afar ólíklegra ferla þar sem breyta þarf fjölmörgum genum nákvæmlega í fyrra horf. Að því er eðlurnar varðar virðast genabreytingarnar hafa verið mjög umfangsmiklar.

Flestar eðlur og slöngur verpa eggjum, en um 20% tegundanna fæða lifandi unga.

Til að fæða lifandi unga í stað þess að verpa eggjum þarf miklar breytingar á fæðingarvegi, eggjaskurnin þarf að þynnast gríðarlega, legkaka þarf að þróast og ónæmiskerfið þarf að breytast þannig að líkaminn hafni ekki fóstrinu sem aðskotahlut.

 

Lögmál Dollos stóð óhaggað í meira en heila öld og það var ekki bara vegna þess að kenningin virðist skynsamleg við fyrstu sýn. Fram til þessa hafa vísindamenn ekki ráðið yfir aðferð til að afsanna kenninguna. Háþróuð tölvulíkön og nýjar aðferðir til DNA-greininga gera nú kleift að fá nákvæma yfirsýn yfir milljóna ára þróun – og afhjúpa þar með suma af merkilegustu leyndardómum þróunarsögunnar.

 

Líkön spila tímann til baka

Ættartrén eru lykillinn bæði að fortíð dýranna og okkar sjálfra. Úr ættartré getum við t.d. lesið að bæði nánustu og fjarlægustu ættingjar okkar meðal spendýra hafa loðfeld. Þess vegna hljótum við að vera komin af dýrum með loðfeld.

 

Á sama hátt tókst áströlskum og chilenskum vísindamönnum árið 2018 að afhjúpa að allmargar suður-amerískar eðlur sem nú verpa eggjum, séu komnar af eðlum sem fæddu lifandi unga. Þetta þýðir að suður-amerísku eðlurnar hafa þróast frá því að verpa eggjum í að fæða lifandi unga og síðan aftur til baka.

 

Þessi óvænta niðurstaða stafar af því að á ættartrénu eru þessa verpandi eðlur umkringdar tegundum sem fæða lifandi unga.

4500 metrum yfir sjávarmáli lifa sumar suður-amerískar eðlutegundir.

Aðferðin virðist einföld en allt þar til alveg nýlega hefði þessi rannsókn ekki verið framkvæmanleg. Til að teikna upp ættartré þurfa vísindamenn fyrst að öðlast yfirsýn yfir alla mögulega skyldleikaþætti tegundanna sem mynda ættartréð.

 

Séu tegundirnar fjórar gæti ættatréð verið byggt upp á 15 mismunandi vegu og þá þarf að reikna út hvaða útgáfa sé líklegust, t.d. á grundvelli gena tegundanna. Séu tegundirnar tíu geta þær verið skyldar á 34 milljón mismunandi vegu og þar með er orðið afar torsótt að finna eðlilegustu uppbyggingu ættartrésins.

 

Rannsóknin á suður-amerísku eðlunum náði til gena úr 258 tegundum. Fyrir aðeins örfáum árum hefði verið nánast ógerlegt að skrá gen svo margra tegunda en nú er það orðið mögulegt með hjálp nýrra og ódýrra aðferða við að lesa genaraðir.

 

Greiningar á skyldleika tegunda krefjast svo mikillar reiknigetu af tölvum að það er ekki fyrr en nú sem þær eru orðnar raunhæfar. Samtals fóru tölvulíkönin í gegnum 500 milljón möguleg afbrigði ættartrés til að finna þá útgáfu sem best passaði – og slíkir útreikningar geta tekið margar vikur.

Endurheimtu glataða vængi

Förustafir voru óvængjaðir í meira en 50 milljónir ára en hófu sig svo aftur til flugs.

 

Fyrir um 95 milljónum ára glötuðu förustafirnir vængjum sínum. Það er niðurstaða bandarískra og þýskra vísindamanna sem rannsökuðu ættartré þessara plöntulíku skordýra. Engu að síður eru 40% tegundanna nú vængjaðar. Ættartréð sýnir að ekki færri en fjórar ættir förustafa endurheimtu vængina án nokkurra tengsla – sú fyrsta fyrir um 40 milljónum ára.

 

Vængir förustafanna líkjast vængjum annarra skordýra og vísindamenn eru því ekki í vafa um að þeir noti sömu genin til að mynda sína vængi. Þessi gen hafa haldið sér óbreytt þótt förustafirnir hafi verið vængjalausir í meira en 50 milljónir ára. Ástæðan er líklegast sú að sömu gen gegna einnig mikilvægu hlutverki við mótun fótanna.

Auk gena úr eðlum voru forritin mötuð með upplýsingum um steingervinga útdauðra eðlutegunda og umhverfi og lífsskilyrðum þar sem þessar tegundir lifðu. Þannig tókst vísindamönnunum að slá því föstu að þróunin frá eggjum til lifandi unga hafi að líkindum orðið þegar Andesfjöllin tóku að rísa fyrir 30 milljónum ára.

 

Ris fjallgarðsins lyfti eðlunum í mikla hæð og loftslagið kólnaði eftir því sem fjöllin risu hærra. Kuldi er lífshættulegur fóstri sem þroskast í eggi utan líkama móðurinnar og eðlurnar tóku því að halda eggjunum í kviðnum þar til fóstrið var fullþroskað.

Eggjaskurnin breyttist í þunna himnu og ungarnir fæddust lífvænlegir. Síðar fluttu sumar eðlurnar sig niður úr fjöllunum á láglendi og þar var nógu hlýtt til að verpa eggjum.

 

Eðlurnar eru reyndar aðeins nýjasta dæmið um þróun sem brýtur gegn lögmáli Dollos. Með bættri tækni hafa vísindamenn fundið æ fleiri hliðstæð dæmi. Rannsókn árið 2011 sýndi t.d. að ein af um 6.000 froskategundum hefur þróað tennur á neðri kjálka, einkenni sem sameiginlegur forfaðir glataði fyrir a.m.k. 225 milljónum ára.

Froskurinn afritaði tennur efri kjálkans

Froskar glötuðu tönnum í neðri kjálka fyrir 330-230 milljónum ára. Fyrir 5 milljónum ára fékk ein tegund þær aftur.

1. Boðefni byrjar myndun tannar

Við þroskun fóstursins virkjast allmörg gen í munni og það leiðir af sér boðefni sem koma frumulagi til að mynda eins konar tannsprota. Í langflestum froskum virkjast þessi gen ekki í neðri kjálka.

2. Genin virkjast bæði uppi og niðri

Hjá suður-amerísku tegundinni Gastrotheca guentheri virðast genin virkjast í báðum kjálkum og boðefni sjá þar með til þess að tennur myndast bæði uppi og niðri.

3. Að lokum birtist æfafornt tannsett

Froskurinn Gastrotheca guentheri fær að lokum fullþroskaðar tennur bæði í efri og neðri gómi. Neðri tennurnar myndast að líkindum á sama hátt og í forfeðrunum fyrir a.m.k. 230 milljónum ára.

Jafnvel maðurinn virðist hafa brotið gegn lögmálinu. Tveir vöðvar efst í hryggnum runnu saman í einn í fjarlægum forfeðrum á stærð við mýs fyrir 89 milljónum ára. En fyrir tveimur milljónum ára sneri þróunin til baka og þessi vöðvi skiptist aftur í tvennt.

 

Flest genin lifa áfram

Fjölmörg brot gegn lögmáli Dollos hafa neytt vísindamenn til að endurmeta virkni þróunarinnar. Í stað þess að gera ráð fyrir að gen sem kóða fyrir tilteknu einkenni  glatist þegar einkennið hverfur, telja vísindamenn nú að þessi gen lifi í mörgum tilvikum áfram og verði einungis óvirk. Og meðan genin eru enn til staðar er unnt að endurvinna hin glötuðu einkenni.

Þú hefur eldgamla vöðva í bakinu

Tveir tígullaga vöðvar efst í bakinu hafa skilist að aftur eftir að 85 milljón ára samvist.

Fyrir 95 milljón árum: Vöðvarnir voru tveir

Sameiginlegur forfaðir okkar og nagdýra hafði á krítarímabilinu tvo vöða sem nefnast Rhomboideus major og minor og teygja sig frá herðablaðinu til hryggsúlunnar. Nagdýrin héldu þessum vöðvum alla tíð.

Fyrir 89 milljón árum: Vöðvar runnu saman

Fyrir 89 milljón árum uxu vöðvarnir saman í forföður apanna. Langflestir apar, m.a. nánasti ættingi okkar, simpansinn, hafa erft þenna samrunna vöðva efst í hryggnum.

Fyrir 2,4 milljón árum: Skildust að á ný

Fyrir um 2,4 milljónum ára skiptist vöðvinn aftur í tvo í forföður manna. Menn þekkja ekki enn ástæðu þessarar breytingar en svipað hefur gerst í bavíönum og silkiöpum.

Vísindamenn hafa m.a. fundið dæmi um þetta í hænsnum. Fuglar glötuðu tönnum sínum fyrir meira en 60 milljónum ára en flest þeirra gena sem kóða fyrir tönnum eru enn óbreytt. Með því að breyta aðeins einu geni  geta vísindamenn virkjað öll þessi tannmyndandi gen og þannig komið hænsnum til að mynda tennur.

 

Ástæða þess að tanngen fuglanna hafa lifað af er trúlega sú að þau gegni einnig öðrum hlutverkum. Langflest gen gegna fleiri hlutverkum en einu og einkum hafa þau áhrif á fleiri en eina vefgerð.

 

Tanngen fugla gegna enn mikilvægum hlutverkum t.d. í fjöðrum, þótt þau hafi ekki lengur nein áhrif í goggnum.

 

Fæðingabreyting auðveld

Það virðist sem breytingar í virkni gena fremur en breyting þeirra sjálfra séu lykillinn að umbreytingu eðlanna þegar þær víxla milli eggja og lifandi fæddra unga.

 

Fjölþjóðlegur hópur vísindamanna rannsakaði 2019 tvær skyldar tegundir kínverskra eðla. Önnur tegundin verpir eggjum en hin fæðir lifandi unga. Vísindamennirnir athuguðu sérstaklega þau gen sem réðu þessum mismunandi fjölgunaraðferðum og rannsökuðu þau nákvæmlega. Þeim til undrunar bentu niðurstöðurnar til þess að víxlun milli eggja og lifandi unga væri ekkert sérstaklega flókin frá genafræðilegum sjónarhóli.

Mismunurinn á þessum tegundum stafar fyrst og fremst af mismunandi virkni gena.  T.d. eru gen sem kóða fyrir myndun eggskurnar líka til staðar í tegundinni sem fæðir lifandi unga, en virkni þeirra er mun minnni. Og þar eð genin eru enn til staðar, er stökkið þarna á milli miklu smærra en menn höfðu ímyndað sér.

 

Það styður þessa niðurstöðu að sama víxlun milli eggja og lifandi afkvæma á sér stað hjá vissum slöngum. Flestar kyrkislöngur hafa nú hætt að verpa eggjum en fæða þess í stað lifandi unga.

En eyðimerkurtegundin Eryx Jayakari býr við næringarfátækt sem veldur því að slangan hefur snúið frá því að fæða lifandi afkvæmi og er aftur farin að verpa eggjum. Þetta sýnir viðamikil rannsókn við Yaleháskóla í BNA þar sem kortlagt var ættatré 41 tegundar kyrkislangna.

 

Önnur tegund skriðdýra veitir enn skýrari innsýn í víxlun eggja og lifandi afkvæma. Ástralska eðlan Saipos equalis beitir báðum aðferðunum. Niðri við ströndina verpir þessi tegund eggjum en eðlur sömu tegundar sem lifa uppi í fjalllendi fæða lifandi unga.

 

Að ein og sama tegundin geti búið yfir svo miklum mun styður þá hugsun að þróunin geti tekið ótrúleg stökk án mikilla genabreytinga.

 

Fóstur fá úrelt einkenni

Dýr og menn varðveita erfðavísa til að sinna löngu gleymdum hlutverkum eða endurbyggja löngu glötuð einkenni. Þetta sést skýrast í þroska fóstursins. Höfrungar og aðri hvalir eru afkomendur fjórfættlings á þurru landi og fóstur þeirra þróa litla afturlimi snemma á þroskaskeiðinu.

 

Í langflestum tilvikum hverfa þessir útvextir en frá því eru undantekningar.

 

Hjá mannsfóstrum má greina vísi að rófu í sjöttu viku meðgöngu. Hún hverfur oftast nær en frá því eru líka undantekningar. Mörg dæmi eru um að börn hafi fæðst  með rófustubb og vísindamenn velta enn fyrir sér hvernig og hvers vegna rófan myndist.

Stökkbreytingar opna fyrir rófu eða tönnum

Fólk með rófu, hænsni með tennur eða höfrungar með afturlimi – ævaforn einkenni sem birtast hjá nýjum einstaklingum eftir að hafa verið glötuð um milljónir ára. Slíkt afturhvarf er einungis mögulegt vegna þess að genin að baki einkennunum hurfu aldrei.

Börn fæðast með rófu

Mannsfóstur mynda vísi að rófu í fjórðu viku meðgöngu en rófan brotnar niður á sjöttu til áttundu viku. Frá því eru þó undantekningar og vitað er um 40 börn sem fæðst hafa með rófu á seinni tímum. Rófan er yfirleitt fjarlægð eftir fæðingu en indverskur drengur hélt sinni rófu til 18 ár aldurs. Rófan óx og varð 18 sm löng.

Kjúklingar mynda krókódílatennur

Menn hafa í áratugi þekkt stökkbreytinguna talpid2 í hænsnum. Breytingin drepur kjúklingana áður en eggin klekjast en hún veldur líka tannmyndun. Tennurnar eru keilulaga og minna tennur krókódíla, nánustu núlifandi ættingja hænsnanna.

Höfrungur með aukalimi að aftan

Höfrungar hafa yfirleitt aðeins bægsli að framan. Þessir útlimir hafa þróast úr framfótum forfeðranna. Afturfæturnir eru fyrir löngu horfnir. En á óvenjulegum höfrungi sem náðist undan strönd Japans 2006 eru litlir afturlimir. Ástæðan er að líkindum sú að ævaforn gen hafa virkjast á ný.

Enn eldra einkenni má líka greina hjá mannsfóstrum, sem sé tálkn. Þó lögðu áar manna tálknin til hliðar fyrir meira en 350 milljónum ára. Viðhald svo ævagamalla einkenna opna furðulegustu möguleika á þróun tegunda í framtíðinni.

 

Risaeðlurnar snúa aftur

Vísindamenn hafa á síðari árum reynt að finna út hvað nákvæmlega þurfi til að spóla þróunarsöguna til baka. Suma langar til að endurskapa löngu útdauðar tegundir á borð við loðfíla eða risaeðlur.

 

En margar hinna nauðsynlegu breytinga gætu reynst svo einfaldar að þær geti gerst af náttúrulegum orsökum og án aðstoðar manna – rétt eins og gerðist þegar eðlur tóku aftur að verpa eggjum og froskur endurheimti tenntan neðrikjálka.

Froskurinn Gastrotheca guentheri er eina froskategundin með tennur í neðri kjálka.

Síðan fuglar þróuðust út frá forneðlum hafa þeir breyst mikið. M.a. hafa þeir glatað tönnunum. En örlítil breyting á tveimur genum getur gefið þeim tennur á ný. Vísindamenn þekkja stökkbreytingu sem fyrir kemur í náttúrunni og veldur einmitt tannmyndun, en sú stökkbreyting er jafnframt banvæn og ungarnir ná því ekki að klekjast.

 

Í framtíðinni gæti önnur eðlileg stökkbreyting leitt af sér tenntan fugl. Í rannsóknastofum hafa menn líka uppgötvað litlar genalagfæringar sem dygðu til að endurskapa í fuglum bein og höfuðkúpur sem minna mjög á skyldar forneðlur, svo sem snareðlu krítartímabilsins eða Velociraptor. Fuglar búa sem sagt yfir ýmsum möguleikum til að stíga skref til baka í þróuninni í átt til fjarlægra ættingja.

 

Suður-ameríski sígaunafuglinn virðist þegar hafa tekið slíkt skref. Fuglar hafa yfirleitt engar klær á vængjunum eða þá mjög smáar, en klær á vængjum sígaunafuglsunga líkjast mjög klóm forfeðranna. Vísindamenn telja nú líklegt að sígaunafuglinn hafi glatað klónum vegna þess að ekki var þörf fyrir þær en svo endurheimt þær hjá ungum vegna þess að það hafi komið sér fyrir þá að geta klifrað í trjám.

 

Myndband: Vísindamaður vill endurgera risaeðlur fortíðar

BIRT: 12/05/2022

HÖFUNDUR: Jonas Grosen Meldal

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: Shutterstock, © Allison Whiting/BYU/NSF & Shutterstock, © Shutterstock & Courtesy of Dr. Mark Wilkinson. © Trustees of the Natural History Museum, London & Lotte Fredslund,© Claus Lunau,© Antoshin Konstantin,© SWNS/Ritzau Scanpix & John F. Fallon and Matthew P. Harris,© Courtesy of Dr. Mark Wilkinson. © Trustees of the Natural History Museum, London.

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is